Crocus - Introduction

  Objectifs du modèle

Crocus est un modèle numérique unidimensionnel fondé sur la thermodynamique simulant le bilan d’énergie et de matière du manteau neigeux. Il a pour principal objectif de décrire de façon détaillée l’évolution des propriétés internes du manteau neigeux (transfert thermique, transfert radiatif) en s’appuyant sur une description semi-quantitative de l’évolution des propriétés morphologiques des grains de neige au cours de leur métamorphisme. Cette description permet de représenter de façon réaliste les flux d’énergie et de matière aux interfaces du manteau neigeux (sol et atmosphère).

  Description sommaire

Variables de forçage du modèle

En configuration de base, Crocus est forcé au pas horaire par les variables suivantes :

  • Température de l’air
  • Humidité relative de l’air
  • Vitesse du vent
  • Précipitation pluvieuse
  • Précipitation neigeuse
  • Flux radiatif solaire (visible + proche infra-rouge)
  • Flux radiatif atmosphérique (infra-rouge thermique)

La prise en compte du flux basal à l’interface sol/neige peut s’effectuer de différentes manières en fonction du contexte (flux imposé à la base pour les utilisation alpines, couplage à un modèle de sol ...).

Variables descriptives des propriétés des couches de neige

Les couches de neige numériques sont décrites par les variables suivantes :

  • Epaisseur
  • Température au milieu de la couche
  • Masse volumique de la neige
  • Contenu en eau liquide
  • Type de grain

Le type de grain est décrit de façon semi-quantitative en faisant appel à la notion de dendricité, de sphéricité, de taille des grains et en tenant compte de l’historique physique de la couche.

Sorties du modèle

Les sorties du modèle consistent en :

  • des propriétés physiques intégrées à l’échelle du manteau neigeux (hauteur de neige, équivalent en eau liquide, température de surface, albédo ...)
  • les propriétés physiques internes (décrites ci-dessus) pour toutes les couches numériques de neige, à partir desquelles un profil de propriétés physiques peut être consrtuit
  • une synthèse des flux d’énergie et de matière aux interfaces du manteau neigeux (atmosphère et sol)

Gestion dynamique des couches de neige

La principale originalité de Crocus repose sur sa gestion interactive du nombre de niveaux horizontaux (appelés “couches numérique”) permettant de discrétiser de façon optimale le profil vertical des propriétés physiques du manteau neigeux. En effet, une couche de neige fraîche possède en général des propriétés physiques très différentes de la couche sur laquelle elle repose. Au cours du temps et du métamorphisme, les propriétés physiques des couches évoluent dans des directions parfois différentes. Néanmoins, pour ne pas avoir à gérer un nombre de couche trop important et donc néfaste à la performance du modèle, quand deux couches numériques ont des propriétés physiques voisines, elles sont agrégées. A l’inverse, quand une couche numérique se trouve proche de la surface, elle peut être dédoublée pour améliorer le calcul du transfert thermique et radiatif près de la surface du manteau neigeux et donc maintenir une bonne description du profil de température près de la surface.

Lois physiques constitutives

Les processus physiques principaux traités par Crocus sont les suivants :

  • Conduction thermique : résolution selon l’axe vertical de l’équation de la chaleur
    • $\partial/\partial t (\rho C_p T)=\partial^2/\partial z^2 (k T)+Q$ ,
      $\rho$ est la masse volumique, $C_p$ est la capacité thermique spécifique, $T$ est la température, $k$ est la conductivité thermique et $Q$ représente une source locale d’énergie thermique.
  • Changements de phase, quand la température atteint le seuil de 273.16 K
  • Bilan d’énergie en surface
  • Métamorphoses de la neige : les lois d’évolution des variables représentant les propriétés morphologiques de la neige ont été obtenues en laboratoire sous diverses conditions de gradient vertical de température, ainsi qu’en conditions de métamorphose humide.
  • Percolation de l’eau liquide : l’approche actuelle consiste à n’autoriser la percolation à partir d’une couche qu’une fois une valeur de contenu en eau liquide seuil atteinte.
  • Tassement sous l’effet du poids des couches situées au dessus d’une couche considérée ainsi que le métamorphisme de la neige.
    • $de/e = - \sigma/\eta \times dt$
      $e$ est l’épaisseur d’une couche, $\sigma$ est la contrainte verticale et $\eta$ est la viscosité newtonienne.

Paramétrisations physiques

Les variables nécessaires pour la résolution des lois physiques sont souvent paramétrisées en fonctions des variables pronostiques. Quelques exemples sont données ci-dessous :

  • la capacité thermique spécifique est paramétrisée en fonction de la température,
  • la conductivité thermique effective est paramétrisée en fonction de la masse volumique de la neige,
  • l’albédo du manteau neigeux est assimilé à celui de la première couche de neige, et il est calculé selon trois bandes spectrales (0.3 - 0.8 $\mu$ m, 0.8 - 1.5 $\mu$ m et 1.5 - 2.8 $\mu$ m). Dans la première bande spectrale, l’albédo dépend du rayon optique (calculé empiriquement à partir des propriétés morphologiques des grains) et de l’âge de la neige - représentant l’incorporation progressive d’impuretés. Dans les deux autres bandes spectrales, l’albédo ne dépend que du rayon optique.

Références

Le modèle Crocus a été décrit dans deux publications de référence :

Brun E., E. Martin, V. Simon, C. Gendre C. and C. Coléou, An energy and mass model of snow cover suitable for operational avalanche forecasting, J. Glaciol., 35(121), 333-342, 1989.

Brun E., P. David, M. Sudul and G. Brunot, A numerical model to simulate snowcover
stratigraphy for operational avalanche forecasting, J. Glaciol., 38(128), 13-22, 1992.

La version actuelle de Crocus est intégrée en tant que schéma de neige du modèle de surface ISBA au sein de SURFEX. La publication suivante décrit les détails de cette implémentation :

Vionnet, V., Brun, E., Morin, S., Boone, A., Faroux, S., Le Moigne, P., Martin, E., and Willemet, J.-M. : The detailed snowpack scheme Crocus and its implementation in SURFEX v7.2, Geosci. Model Dev., 5, 773-791, doi :10.5194/gmd-5-773-2012, 2012.